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Les semi-conducteurs en couches et conventionnels supportant une intégration hétérogène ouvrent la porte à l’ère post-Moore

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Les semi-conducteurs en couches et conventionnels supportant une intégration hétérogène ouvrent la porte à l’ère post-Moore

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En raison de la nature bidimensionnelle du système de matériaux en couches, combiner de nouveaux matériaux en couches avec des semi-conducteurs traditionnels de pointe est la poursuite raisonnable et la stratégie prometteuse de l’ère post-Moore. Crédit : Zhuofan Chen et al

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En raison de la nature bidimensionnelle du système de matériaux en couches, combiner de nouveaux matériaux en couches avec des semi-conducteurs traditionnels de pointe est la poursuite raisonnable et la stratégie prometteuse de l’ère post-Moore. Crédit : Zhuofan Chen et al

Les scientifiques du NEXT Lab de l’Université de Tsinghua ont révélé les techniques de fabrication et d’ingénierie des TMD et ont fourni une vue comparative des TMD et des semi-conducteurs conventionnels, démontrant l’avantage de combiner les TMD avec les semi-conducteurs conventionnels.

Recherche publiée dans Journal international de la fabrication extrême, montre comment fabriquer des semi-conducteurs en couches modifiés par diverses méthodes, notamment l’ingénierie de phase, l’ingénierie des défauts, le dopage et l’alliage. Les auteurs discutent ensuite de différentes possibilités pour combiner des semi-conducteurs en couches avec des semi-conducteurs conventionnels.

Les chalcogénures de métaux de transition (TMD) avec une bande interdite et une structure de bande appropriées sont apparus comme une nouvelle génération de matériaux semi-conducteurs en couches. Ces développements ont démontré l’énorme potentiel des dispositifs basés sur TMD dans l’extension de la loi de Moore à une échelle inférieure à 1 nm.

« En principe, cela ouvre la porte à la conception d’une toute nouvelle classe de matériaux dans les applications photovoltaïques, qui ont démontré de nouvelles propriétés, telles que la supraconductivité, le couplage de spin, la ferroélectricité et le ferromagnétisme », a déclaré Chen Wang, professeur associé au National Institut d’études spatiales. École des matériaux de l’Université Tsinghua et auteur correspondant dans l’étude. « Fondamentalement, cela ouvre une nouvelle ère de dispositifs basés sur des systèmes de matériaux multicouches avec des principes innovants », a déclaré Xiaonan Deng, l’un des premiers co-auteurs de l’article.

L’industrie des semi-conducteurs évolue depuis des décennies avec la mise à l’échelle de la taille des dispositifs et l’augmentation de la densité des transistors selon la loi de Moore classique. Cependant, une extension efficace de la loi de Moore s’est heurtée aux défis de l’industrialisation et de la physique contemporaines. Les obstacles physiques les plus importants à la miniaturisation des transistors sont les effets de canal court (SCE) à plusieurs dizaines de nanomètres de longueur de canal et l’effet tunnel quantique à des longueurs de canal inférieures à 10 nanomètres.

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En raison de la nature bidimensionnelle du système de matériaux en couches, des structures hétérogènes entre les matériaux en couches peuvent être formées soit latéralement via des liaisons chimiques, soit verticalement via des interactions de van der Waals (vdW), permettant des dispositifs hétérogènes basés sur des matériaux en couches. Les hétérojonctions chimiques intégrées offrent des avantages tels qu’une ligne intérieure atomiquement mince, un processus de production de masse basé sur des réactions chimiques et les avantages uniques des dispositifs électroniques et optoélectroniques.

D’autre part, les hétérostructures vdW (vdWH) peuvent être composées de matériaux en couches aléatoires, offrant des angles d’agencement et d’empilement très flexibles, ainsi que des interfaces naturellement nettes. Mais le problème persiste dans le réglage fin, les performances des dispositifs et l’ingénierie industrielle des semi-conducteurs en couches, ce qui entrave l’utilisation généralisée des dispositifs basés sur des semi-conducteurs en couches.

En fait, les scientifiques pensent qu’en raison de la nature bidimensionnelle du système de matériaux en couches, la plupart des processus utilisés dans les dispositifs bidimensionnels sont compatibles avec les technologies à base de silicium. De plus, la large gamme de matériaux en couches avec une structure de bande diversifiée, lorsqu’elle est combinée à la structure de bande bien établie du silicium, offre un avantage synergique grâce à une intégration hétérogène.

Par la suite, Wang a commencé à expérimenter des TMD modifiés de diverses manières, notamment l’ingénierie de phase, l’ingénierie des défauts, le dopage et l’alliage.

À la surprise des scientifiques, les dispositifs TMD permettent d’explorer la prochaine génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques. « De plus, les vdWH peuvent être formés en combinant différents types de matériaux en couches et de semi-conducteurs conventionnels pour obtenir des dispositifs fonctionnels », a déclaré Simian Zhang (PhD 21), l’un des co-auteurs. Ceci est très utile pour un appareil qui doit fonctionner dans le monde réel.

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Cependant, ce qui a le plus retenu l’attention des scientifiques, c’est la non-uniformité des propriétés des nouveaux matériaux à l’interface. « Compte tenu des principes de base, cela ne devrait pas avoir de sens pour qu’il agisse comme un semi-conducteur », a commenté Chen. Malheureusement, aucune théorie bien établie ne peut expliquer ce phénomène.

Wang et Chen et leur laboratoire ont travaillé avec d’autres scientifiques de l’université pour essayer de comprendre les propriétés d’interface des TMD et des semi-conducteurs conventionnels de différentes manières. Après des tests, des simulations et des travaux théoriques, ils pensent que les propriétés des TMD peuvent être modifiées via l’ingénierie de phase, l’ingénierie des défauts, le dopage et l’alliage, offrant une large gamme d’alternatives pour des semi-conducteurs de haute qualité avec une phase stable et une structure de bande appropriée.

De plus, les phases non conductrices des semi-conducteurs en couches peuvent être utilisées comme contacts, diélectriques et couches interfaciales pour construire des dispositifs hautes performances, améliorant ainsi les avantages technologiques par rapport aux matériaux en silicium monophasés.

Le résultat final est inégalé pour les matériaux stratifiés. « La communauté de la recherche et l’industrie travaillent activement pour relever ces défis afin de faciliter l’intégration hétérogène », a déclaré Chen. Les scientifiques sont ravis parce que la découverte indique un principe de conception fondamentalement nouveau pour l’électronique et la technologie optoélectronique. Les matériaux en couches sont si importants, ont-ils expliqué, que presque tout nouveau développement ouvre de nouvelles lignes de technologie.

Une propriété intéressante du matériau est les nouvelles options pour former des hétérostructures. Par exemple, la synthèse de WS2-WSe2 et MoS2– Ministère2 Des hétérostructures latérales peuvent être fabriquées par croissance par étapes. Les TMD avec une hétérostructure peuvent être fabriqués en utilisant soit une étape de croissance, soit un empilement mécanique.

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Les semi-conducteurs en couches, qui sont représentés par des dispositifs TMD atomiquement minces avec des interfaces vdW propres, présentent une excellente contrôlabilité et une intégration hétérogène avec d’autres matériaux en couches. Par conséquent, les dispositifs basés sur des TMD ont été traités comme des candidats prometteurs pour une variété d’applications de dispositifs.

Les semi-conducteurs en couches représentés par les TMD présentent un grand potentiel dans les futurs dispositifs électroniques et optoélectroniques. Cependant, malgré leurs propriétés inhabituelles et leurs nouvelles applications, leur adoption a été entravée par les défis rencontrés dans le réglage fin des semi-conducteurs en couches et de l’ingénierie des dispositifs.

L’équipe explore également l’intégration hétérogène des semi-conducteurs en couches et des semi-conducteurs conventionnels. « Nous pensons que l’intégration hétérogène des semi-conducteurs en couches et conventionnels, et la combinaison des avantages techniques et économiques des deux systèmes de matériaux offrent une voie médiane pratique pour le début de l’ère post-Moore », a déclaré Wang.

Wang a déclaré : « Bien que la commercialisation des dispositifs hétéro-intégrés traditionnels n’ait pas encore été réalisée, de grands progrès ont été réalisés dans la physique intrinsèque, les propriétés des matériaux, les structures des dispositifs et les stratégies d’intégration qui indiquent des perspectives prometteuses pour l’avenir.

Plus d’information:
Zhuofan Chen et al, Cohérence comparative entre les semi-conducteurs en couches et conventionnels : opportunités uniques pour l’intégration hétérogène, Journal international de la fabrication extrême (2023). DOI : 10.1088/2631-7990/ace501

Avant-propos par International Journal of Extreme Manufacturing

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

Illustration de la conception expérimentale générale du CREME exoMIP (Tsigaridis et al. en préparation), comme exemple de la façon dont l’exoMIP peut être structuré pour permettre une large participation communautaire. — Ph.EP astronomique

Alors que le télescope spatial James Webb commence à renvoyer des observations, il est plus important que jamais que les modèles climatiques exoplanétaires soient capables de prédire de manière cohérente et correcte l’observabilité des exoplanètes, de récupérer leurs données et d’interpréter les environnements planétaires à partir de ces données.

Les comparaisons entre modèles jouent un rôle crucial dans ce contexte, surtout à l’heure où peu de données sont disponibles pour valider les prédictions des modèles. Le groupe de travail CUISINES du Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) de la NASA soutient une approche systématique pour évaluer les performances des modèles d’exoplanètes et fournit ici un cadre pour mener des projets d’intercomparaison de modèles d’exoplanètes organisés par la communauté (exoMIP).

Le cadre CUISINES adapte spécifiquement les pratiques de la communauté climatique terrestre pour répondre aux besoins des chercheurs exoplanétaires, y compris une gamme de types de modèles, de cibles planétaires et d’études spatiales paramétriques. Son objectif est d’aider les chercheurs à travailler collectivement, équitablement et ouvertement pour atteindre des objectifs communs.

Le cadre CUISINES repose sur cinq principes : 1) Définir à l’avance la ou les questions de recherche que exoMIP vise à aborder. 2) Créer une conception pilote qui maximise la participation de la communauté et en faire la publicité largement. 3) Planifiez un calendrier de projet qui permet à tous les membres d’exoMIP de participer pleinement. 4) Créer des produits de données à partir des résultats du modèle pour une comparaison directe avec les observations. 5) Créez un plan de gestion des données applicable aujourd’hui et évolutif à l’avenir.

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Au cours des premières années de son existence, CUISINES fournit déjà un soutien logistique à 10 exoMIP et continuera à organiser des ateliers annuels pour approfondir les commentaires de la communauté et présenter de nouvelles idées d’exoMIP.

Linda E. Sohl, Thomas J. Fuchez, Sean Domagal-Goldman, Duncan A. Christie, Russell Detrick, Jacob Haque-Misra, C.E. Harman, Nicholas Iero, Nathan J. Mayne, Costas Tsigarides, Geronimo L. Villanueva, Ambre V. Jeune, Guillaume Chaverot

Commentaires : 14 pages, deux numéros
Sujets : Astrophysique terrestre et planétaire (astro-ph.EP) ; Instruments et méthodes astrophysiques (astro-ph.IM)
Citer comme : arXiv:2406.09275 [astro-ph.EP] (ou arXiv :2406.09275v1 [astro-ph.EP] pour cette version)
Date de soumission
Qui : Linda Suhl
[v1] Jeudi 13 juin 2024, 16:14:22 UTC (903 Ko)
https://arxiv.org/abs/2406.09275
Astrobiologie

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

Le Protocole de Montréal de 1987 a réglementé avec succès les CFC nocifs pour la couche d’ozone afin de protéger la couche d’ozone, réduisant ainsi le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique, et une reprise est attendue dans les 50 prochaines années.

Cependant, de nouvelles recherches de Université de Californie du Sud Ecole d’Ingénieurs de Viterbi Il a montré que ces oxydes ont été multipliés par huit entre 2016 et 2022 et continueront de s’accumuler à mesure que le nombre de satellites en orbite terrestre basse (LEO) augmentera, mettant ainsi la couche d’ozone en danger dans les décennies à venir.

Les chercheurs ont expliqué que sur 8 100 objets en orbite terrestre basse, 6 000 sont des satellites Starlink lancés au cours des dernières années et que la demande d’une couverture Internet mondiale entraîne une augmentation rapide du lancement d’essaims de petits satellites de communication.

SpaceX est le leader de ce projet, avec l’autorisation de lancer 12 000 satellites Starlink supplémentaires et jusqu’à 42 000 satellites prévus. Amazon et d’autres sociétés dans le monde envisagent également de créer des constellations allant de 3 000 à 13 000 satellites, ajoutent les auteurs de l’étude.

Les satellites Internet ont une durée de vie d’environ cinq ans seulement, les entreprises doivent donc lancer des satellites de remplacement pour maintenir le service Internet, ce qui poursuit un cycle d’obsolescence programmée et de contamination imprévue, ont indiqué les chercheurs.

Les oxydes d’aluminium déclenchent des réactions chimiques qui détruisent l’ozone stratosphérique, qui protège la Terre des rayons ultraviolets. Les oxydes ne réagissent pas chimiquement avec les molécules d’ozone, mais conduisent plutôt à des réactions destructrices entre l’ozone et le chlore, conduisant à l’appauvrissement de la couche d’ozone.

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Étant donné que les oxydes d’aluminium ne sont pas consommés dans ces réactions chimiques, ils peuvent continuer à détruire molécule après molécule d’ozone pendant des décennies à mesure qu’ils dérivent dans la stratosphère, ont indiqué les chercheurs.

« Ce n’est que ces dernières années que les gens ont commencé à penser que cela pourrait devenir un problème », a déclaré Joseph Wang, chercheur en astronautique à l’Université de Californie du Sud et auteur correspondant de l’étude, dans un communiqué. « Nous avons été l’une des premières équipes à considérer les implications de ces faits. »

Puisqu’il est impossible de collecter des données sur des engins spatiaux en feu, des études antérieures ont utilisé des analyses de micrométéorites pour estimer la contamination potentielle. Cependant, les chercheurs ont indiqué que les micrométéorites contiennent très peu d’aluminium, un métal qui représente 15 à 40 % de la masse de la plupart des satellites. Ces estimations ne s’appliquent donc pas bien aux nouveaux satellites.

Au lieu de cela, les chercheurs ont modélisé la composition chimique et les liaisons au sein des matériaux satellites lors de leurs interactions aux niveaux moléculaire et atomique. Les résultats ont permis aux chercheurs de comprendre comment la matière change avec différents apports d’énergie.

L’étude a été financée par NASAIl a été constaté qu’en 2022, la rentrée des satellites a augmenté la quantité d’aluminium dans l’atmosphère de 29,5 % au-dessus des niveaux normaux.

La modélisation a montré qu’un satellite typique de 250 kg avec 30 pour cent de sa masse d’aluminium générerait environ 30 kg de nanoparticules d’oxyde d’aluminium (taille de 1 à 100 nanomètres) lors de la rentrée. La plupart de ces particules sont générées dans la mésosphère, entre 50 et 85 kilomètres (30 à 50 miles) au-dessus de la surface de la Terre.

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L’équipe a ensuite calculé que, en fonction de la taille des particules, il faudrait jusqu’à 30 ans pour que les oxydes d’aluminium dérivent jusqu’aux hauteurs stratosphériques, où se trouvent 90 % de l’ozone troposphérique.

Les chercheurs estiment qu’au moment où les constellations de satellites actuellement prévues seront achevées, 912 tonnes d’aluminium tomberont sur Terre chaque année. Cela libérerait environ 360 tonnes d’oxydes d’aluminium par an dans l’atmosphère, soit une augmentation de 646 % par rapport aux niveaux naturels.

L’étude a été publiée dans la revue en libre accès AGU Lettres de recherche géophysiqueentièrement lisible ici.

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Des chercheurs de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau terrestre perdait de la vitesse.

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Des chercheurs de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau terrestre perdait de la vitesse.

Le noyau interne a commencé à ralentir vers 2010, se déplaçant plus lentement que la surface de la Terre. Crédit : Université de Californie du Sud

Une nouvelle étude fournit des preuves claires que le noyau interne de la Terre a commencé à ralentir vers 2010.

Université de Californie du Sud Les scientifiques ont découvert que le noyau interne de la Terre ralentit par rapport à la surface de la planète, un phénomène qui a commencé vers 2010 après des décennies de tendance inverse. Ce changement majeur a été révélé par l’analyse de données sismiques détaillées provenant de tremblements de terre et d’essais nucléaires. La décélération est affectée par la dynamique du noyau externe liquide environnant et par l’attraction gravitationnelle du manteau terrestre, ce qui peut légèrement affecter la rotation de la Terre.

Dynamique du noyau interne

Des scientifiques de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau interne de la Terre reculait – ralentissait – par rapport à la surface de la planète, comme le montre une nouvelle étude publiée le 12 juin dans la revue nature.

La communauté scientifique débat depuis longtemps du mouvement du noyau interne, certaines études suggérant qu’il tourne plus vite que la surface de la Terre. Cependant, des recherches récentes de l’Université de Californie du Sud montrent de manière concluante qu’à partir de 2010 environ, le noyau interne a ralenti et se déplace désormais à un rythme plus lent que la surface de la planète.

« Quand j’ai vu pour la première fois les sismogrammes qui faisaient allusion à ce changement, j’ai été mystifié », a déclaré John Vidal, professeur de géosciences au doyen de l’USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences. « Mais lorsque nous avons trouvé vingt autres observations pointant vers le même schéma, la conclusion était inévitable. Le noyau interne avait ralenti pour la première fois depuis plusieurs décennies. D’autres scientifiques ont récemment plaidé en faveur de modèles similaires et différents, mais notre dernière étude fournit la solution la plus convaincante. »

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Déclin et ralentissement relatifs

Le noyau interne est dans un état d’inversion et de rétraction par rapport à la surface de la planète car il se déplace légèrement plus lentement au lieu de plus vite que le manteau terrestre pour la première fois depuis environ 40 ans. Par rapport à sa vitesse des décennies précédentes, le noyau interne ralentit.

Le noyau interne est une boule solide de fer et de nickel entourée d’un noyau externe de fer et de nickel liquides. D’environ la taille de la Lune, le noyau interne se trouve à plus de 3 000 milles sous nos pieds et présente un défi pour les chercheurs : il ne peut être ni visité ni vu. Les scientifiques doivent utiliser les ondes sismiques des tremblements de terre pour créer des visualisations du mouvement du noyau interne.

Une nouvelle approche de l’approche itérative

Vidal et Wei Wang, de l’Académie chinoise des sciences, ont utilisé des formes d’onde et des tremblements de terre répétés, contrairement à d’autres recherches. Les tremblements de terre répétés sont des événements sismiques qui se produisent au même endroit pour produire des sismogrammes identiques.

Dans cette étude, les chercheurs ont compilé et analysé les données sismiques enregistrées autour des îles Sandwich du Sud à partir de 121 tremblements de terre répétés survenus entre 1991 et 2023. Ils ont également utilisé les données de deux essais nucléaires soviétiques entre 1971 et 1974, ainsi que des essais répétés français et américains. Expériences nucléaires issues d’autres études du noyau interne.

Vidal a déclaré que le ralentissement de la vitesse du noyau interne était causé par le balancement du noyau externe de fer liquide qui l’entoure, qui génère le champ magnétique terrestre, en plus des forces gravitationnelles des zones denses du manteau rocheux sus-jacent.

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Impact sur la surface de la Terre

Les effets de ce changement dans le mouvement du noyau interne de la surface terrestre ne peuvent que faire l’objet de spéculations. Vidal a déclaré que le retrait du noyau interne pourrait modifier la durée d’une journée de quelques fractions de seconde : « Il est très difficile de remarquer que, de l’ordre d’un millième de seconde, il se perd presque dans le bruit des océans. et l’ambiance. »

Les futures recherches menées par les scientifiques de l’USC espèrent tracer plus en détail le chemin du noyau interne afin de révéler exactement pourquoi il change.

« La danse intérieure du cœur est peut-être plus vibrante que ce que nous connaissons jusqu’à présent », a déclaré Vidal.

Référence : « Inner Core Retraction by Seismic Waveform Reflections » par Wei Wang, Jun E. Fidel, Guanying Pang, Keith D. Cooper et Ruyan Wang, 12 juin 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07536-4

Outre Vidal, les autres auteurs de l’étude comprennent Ruian Wang de l’Université de Californie du Sud Dornsife, Wei Wang de l’Académie chinoise des sciences, Guanying Pang de l’Université Cornell et Keith Cooper de l’Université de l’Utah.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (EAR-2041892) et l’Institut de géologie et de géophysique de l’Académie chinoise des sciences (IGGCAS-201904 et IGGCAS-202204).

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